(57)【要約】【課題】  ２．３ｎｍ−４．４ｎｍの波長を持つ水の窓領域の軟Ｘ線を発生する軟Ｘ線発生装置であって、小型で安価な軟Ｘ線発生装置を提供する。【解決手段】  電子銃１、ターゲット２、回転装置３、ターゲット容器４からなる軟Ｘ線発生装置において、チタンもしくはカルシウムと酸素もしくは窒素とからなる金属−非金属化合物でターゲット２を形成し、電子銃１から４ＫｅＶ−８ＫｅＶの電子ビームを発生してターゲットに照射し軟Ｘ線を発生させる。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起エネルギービームをターゲットに照射して波長２．３ｎｍから４．４ｎｍの間にピークを持つ軟Ｘ線を放出させる軟Ｘ線発生装置であって、前記ターゲットが金属−非金属化合物であり、該金属−非金属化合物中の非金属が２．３ｎｍから４．４ｎｍの間の波長を有する特性Ｘ線を発生するものであることを特徴とする軟Ｘ線発生装置。
【請求項２】
前記ターゲットが金属酸化物であることを特徴とする請求項１に記載の軟Ｘ線発生装置。
【請求項３】
前記ターゲットが金属窒化物であることを特徴とする請求項１に記載の軟Ｘ線発生装置。
【請求項４】
前記金属−非金属化合物中の金属が２．３ｎｍから４．４ｎｍの間の波長を有する特性Ｘ線を発生するものであることを特徴とする請求項１から３に記載の軟Ｘ線発生装置。
【請求項５】
前記ターゲットが二酸化チタン、酸化カルシウム、酸化マグネシウムのうちのいずれかであることを特徴とする請求項１から４に記載の軟Ｘ線発生装置。
【請求項６】
前記励起エネルギービームが電子ビームであることを特徴とする請求項１から５に記載の軟Ｘ線発生装置。
【請求項７】
前記電子ビームの出力が４ＫｅＶから８ＫｅＶの間であることを特徴とする請求項６に記載の軟Ｘ線発生装置。       
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、励起エネルギービームをターゲットに照射して軟Ｘ線を発生させる軟Ｘ線光源に関し、特に水の窓領域の波長を持つ軟Ｘ線を発生させる軟Ｘ線発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、物理、化学、半導体、バイオ分野などにおいて軟Ｘ線が利用されてきている。特に、生物学、高分子化学、医学分野においては、水の透過率が大きい水の窓領域と呼ばれる波長２．３〜４．４ｎｍの軟Ｘ線による顕微鏡観察が注目されている。この水の窓領域の軟Ｘ線は、水と生体構成分子との吸収コントラストが大きいため、特に生体試料の観察に適している。水の窓領域の軟Ｘ線を用いた軟Ｘ線顕微鏡によれば、水を含んだ生体試料内のタンパク質や核酸などの高分子の挙動をin vivoで染色無しで観察することができる。
【０００３】
この水の窓領域の軟Ｘ線を発生する軟Ｘ線源としては、Spring-8等の放射光施設が有力視されている。外国の放射光施設では軟Ｘ線顕微鏡専用ビームラインを設けて軟Ｘ線顕微鏡を併設しているものが多くなっており、Spring-8においても軟Ｘ線顕微鏡導入のための研究が行われている。しかし、放射光施設は半径１〜数ｋｍもの大型施設であり建設に数１００億円〜数千億円の費用がかかるため、一般の研究室に導入したり工業利用することは現実的でない。また、高エネルギーの電子ビームを扱うため施設は放射線発生施設となり、そのための管理も容易でない。さらに、装置が巨大で複雑であるため、実験者以外にオペレーターが必要になり、人的コストも発生する。
【０００４】
また、レーザー光を利用して軟Ｘ線を発生するレーザープラズマＸ線装置も開発されている。これは、ＹＡＧレーザー装置などから励起レーザー光パルスを金属ターゲットに照射して高温プラズマを発生させ、高温プラズマから軟Ｘ線を放出させるものである。
レーザープラズマＸ線装置は数ｍ２と放射光施設に比べてはるかに小型であり、比較的安価に制作できるので一般の実験室にも導入可能である。しかし、高出力のレーザーを得ることは容易でなく、レーザー光からＸ線への変換効率が数％と高効率であるに関わらず、実用レベルの線量をもつ高輝度軟Ｘ線源としては未だ十分な小型化、低価格化には困難がある。
【０００５】
この問題を解決するために、レーザープラズマＸ線装置を改良し小型のレーザー装置により高輝度の軟Ｘ線を得る技術が特許文献１に開示されている。特許文献１に開示された発明は、レーザー装置から例えばパルス幅１００ｐｓ、パルス間隔３００ｐｓほどの高周波レーザー光パルスを発生し、チタンターゲットにレーザー光パルスを照射してプラズマを発生させ、さらにプラズマに連続的にレーザー光パルスを照射している。これによりプラズマを段階的に加熱して高温プラズマを得、高温プラズマから高輝度の軟Ｘ線を放出させている。
【０００６】
しかし、特許文献１に開示された発明においても得られる軟Ｘ線の出力が十分でなく、試料に複数回軟Ｘ線を照射して重層的に撮影を行うか、Ｘ線源となるターゲットと試料の距離を極端に小さくしなければ明瞭なＸ線画像を得ることができない。
さらに、レーザープラズマＸ線装置では、レーザー光パルスを利用するためＸ線の発生もパルス的になり、試料の連続撮影を行うことができない。
【特許文献１】特開平６−１７４６６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一方、電子ビームを固体ターゲットに照射してＸ線を得る従来の方式のＸ線発生装置においても水の窓領域の軟Ｘ線を得ようとする研究が行われている。従来一般的に用いられているＸ線発生装置は数ｍ２と小型であり、安価に多量に制作されているため、軟Ｘ線の発生装置として利用できれば非常に有用なものになる。しかしながら、この装置でモリブデンや炭素をターゲットとして行われた過去の研究では水の窓領域の軟Ｘ線の発生率が１０１０〜１０１１（光子数／ｍＡ・ｓｒ）と非常に小さく、撮影等に用いることは困難であった。
そこで本発明が解決しようとする課題は、水の窓領域の軟Ｘ線を発生する軟Ｘ線発生装置であって、小型で安価な軟Ｘ線発生装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願発明の発明者は、２．３ｎｍから４．４ｎｍの波長を有する特性Ｘ線を発生する非金属を組成の一部とする金属−非金属化合物をターゲットに用いれば効率的に水の窓領域の軟Ｘ線を放出させうることを見いだした。
本発明の軟Ｘ線発生装置は、励起エネルギービームをターゲットに照射して波長２．３ｎｍから４．４ｎｍの間にスペクトルのピークを持つ軟Ｘ線を放出させる軟Ｘ線発生装置であって、ターゲットが金属−非金属化合物からなり、化合物中の非金属が２．３ｎｍから４．４ｎｍの間の波長の特性Ｘ線を発生するものであることを特徴とする。
【０００９】
波長２．３−４．４ｎｍの特性Ｘ線を発生する非金属として、例えば酸素、窒素があげられる。したがって、ターゲットには金属酸化物もしくは金属窒化物を使用できる。例えば酸化マグネシウムなどが利用可能である。
また、金属−非金属化合物中の金属を波長２．３−４．４ｎｍの特性Ｘ線を発生するものとすれば、より効率的に水の窓領域の軟Ｘ線を輻射させることができる。波長２．３−４．４ｎｍの特性Ｘ線を発生する金属として、例えばカルシウム、チタンがあげられる。したがって、酸化カルシウム、二酸化チタンなどが高効率で水の窓領域の軟Ｘ線を発生するターゲットとして適している。
【００１０】
本発明に用いる励起エネルギービームは従来より広く用いられている電子ビームが適している。その出力は４ＫｅＶから８ＫｅＶの間に設定すると効率的に水の窓領域の軟Ｘ線を放出させることができる。
【００１１】
本願発明者らは、特性Ｘ線の波長が水の窓領域になる非金属と金属との化合物をターゲットして用いることで、電子ビームをターゲットに照射してＸ線を発生させる従来一般に用いられている装置によっても、水の窓領域の軟Ｘ線を高輝度で得られることを見いだした。
【００１２】
図１はターゲットに電子ビームを照射してＸ線を発生させるＸ線発生装置において、ターゲットごとに電子線量（電流値）に対する水の窓領域の軟Ｘ線発生量を表したグラフである。ターゲット物質として二酸化チタン、酸化カルシウム、炭素、酸化マグネシウム、モリブデンが選択されている。図より明らかなように、従来水の窓領域の軟Ｘ線を発生させるために研究が進められていた炭素やモリブデンより、金属酸化物ターゲットの方が遙かに多量の水の窓領域軟Ｘ線を発生している。例えば１０ＫｅＶの電子線を照射した場合、炭素ターゲットに対してモリブデンターゲットは約５−１０倍の水の窓領域軟Ｘ線発生量なのに対し、酸化マグネシウムでは約７０倍、酸化カルシウムおよび二酸化チタンターゲットでは約１００倍もの線量を放出している。
【００１３】
これは、酸素原子の特性Ｘ線の波長が２．３７ｎｍと水の窓領域内にあることが大きく寄与しているものと推測される。
また、酸化マグネシウムに対して酸化カルシウム、二酸化チタンの水の窓領域軟Ｘ線発生量が有意に大きくなっている。これは、カルシウム原子のＬ系特性Ｘ線の波長が３．６４ｎｍ、チタン原子のＬ系特性Ｘ線が２．７４ｎｍとそれぞれ水の窓領域にあるのに対し、マグネシウム原子はこの領域に特性Ｘ線を発生しないため、酸化マグネシウムの軟Ｘ線発生量がやや小さくなっているものと思われる。このことからも特性Ｘ線が領域内のＸ線発生量に大きく影響していることが推察される。図中に値がないが、チタンターゲットでは二酸化チタンターゲットの約１／３量の水の窓領域軟Ｘ線出力が得られる。このことも上記推察を裏付けている。
【００１４】
したがって、水の窓領域の軟Ｘ線を効率よく得るためには、この領域の特性Ｘ線を発生する非金属原子を多く含む金属−非金属化合物をターゲットに用いるとよい。水の窓領域である２．３ｎｍから４．４ｎｍの波長の特性Ｘ線を発生する非金属元素としては酸素（２．３７ｎｍ）、窒素（３．１６ｎｍ）があげられる。したがって、ターゲットを金属酸化物もしくは金属窒化物とすればよい。
同様に、水の窓領域の波長の特性Ｘ線を発生する金属元素をターゲットに多く含めば効率よくこの波長の軟Ｘ線が得られる。２．３ｎｍから４．４ｎｍの波長の特性Ｘ線を発生する金属元素としてはカルシウム（３．６４ｎｍ）、スカンジウム（３．１４ｎｍ）、チタン（２．７４ｎｍ）、バナジウム（２．４３ｎｍ）があげられる。この中のいずれを用いてもよいが、価格、扱いやすさ等を考慮するとカルシウム、チタンが好ましい。
【００１５】
したがって、酸化カルシウム、窒化カルシウム、二酸化チタン等をターゲットに用いれば、同じ電子線量に対してより高輝度の水の窓領域の軟Ｘ線を得ることができる。なお、酸化カルシウムは水や二酸化炭素と反応して水酸化カルシウム、炭酸カルシウム等に変化するため大気中での取り扱いに注意が必要である。取り扱いの観点からは二酸化チタンが最適である。
【００１６】
また、レーザープラズマＸ線装置でも同様であるが、本発明の軟Ｘ線発生量では水の窓領域以外の波長のＸ線も発生する。しかし撮影等で用いるためには水の窓領域以外のＸ線は少ない方が望ましい。したがって、全体の線量に対して水の窓領域の軟Ｘ線量の比率を増大させる要求がある。そこで、本発明者は水の窓領域の軟Ｘ線を得るために最適の電子ビーム出力を導き出した。
【００１７】
図２は電子ビーム出力を変化させた際の、全体の線量に対する水の窓領域線量の比率を表すグラフである。グラフから読み取れるように、二酸化チタンターゲット、酸化カルシウムターゲットを用いた場合は電子ビーム出力が１０ＫｅＶを超えたところで逓減していく。また、図３は電子ビーム出力１Ｗあたりの水の窓領域線量を表すグラフである。二酸化チタンターゲットの場合しか図示がないが、水の窓領域のＸ線量は約６ＫｅＶがピークになっており、４ＫｅＶから８ＫｅＶの間の出力において効率よく水の窓領域の軟Ｘ線が得られる。
【００１８】
したがって、水の窓領域のＸ線量、全線量に対する水の窓領域線量率を共に最大化するためには、電子ビームの出力を４ＫｅＶから８ＫｅＶの間に設定するのが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、実施例を用いて本発明の軟Ｘ線発生装置を詳細に説明する。
図４は本実施例の軟Ｘ線発生装置を形式的に表した概念図である。本実施例の軟Ｘ線発生装置は電子銃１、ターゲット２、回転装置３、ターゲット容器４からなる。ターゲット容器４には窓５が設けられている。
【００２０】
電子銃１は図示しない電源に接続されており、任意のエネルギーの電子ビームをターゲット２に向けて照射することができる。ターゲット２は二酸化チタンを円錐台形に成形したものであり、回転装置３に軸支されている。回転装置３は図示しない駆動装置に連結し、制御装置からの指令によりターゲット２をわずかずつ偏心回転することができる。ターゲット容器４には図示しない真空ポンプが接続されており、ターゲット容器４内を所定圧まで減圧できるようになっている。また、ターゲット容器４に設けられた窓５には軟Ｘ線を選択的に透過する適切なフィルターが設置されている。
【００２１】
本実施例の軟Ｘ線発生装置を使用する際は、まず真空ポンプによりターゲット容器４内を十分減圧し、電源から電流を供給して電子銃１から一定電圧の電子ビームをターゲット２に向けて照射する。電子ビームのエネルギーは４ＫｅＶから８ＫｅＶの間に設定するのが望ましい。電子ビームがターゲット２に到達すると、高速電子の運動エネルギーがターゲット２の原子核により偏向を受け、制動放射の形で連続Ｘ線を放出する。また、高速電子がターゲット２原子内の殻電子を励起し、特性Ｘ線を発生させる。
【００２２】
ターゲット２に二酸化チタンを用いているため、酸素原子およびチタン原子から発生する特性Ｘ線の波長が共に２．３−４．４ｎｍの間に存在する。また、電子ビームのエネルギーを４−８ＫｅＶとしたことで、連続Ｘ線のスペクトルも２．３−４．４ｎｍの間にピークを持つ。したがって、ターゲット２からは水の窓領域を中心とする波長の軟Ｘ線が放出される。
【００２３】
ターゲット２から放出された軟Ｘ線は窓５に設置したフィルターを通してターゲット容器４外の真空中に導かれ、軟Ｘ線顕微鏡や非破壊検査装置などの透過光として利用される。
なお、電子ビームの照射によりターゲット２の表面がスポット状に減耗したら、回転装置３をわずかに駆動し電子ビームが順次ターゲット２の新しい面に照射されるようにする。
【００２４】
本実施例の軟Ｘ線発生装置では、ターゲット２の組成および電子銃１からの電子ビームの出力を適切に選択したことにより、水の窓領域の軟Ｘ線を効率的に発生させることが可能になった。
また、本実施例の軟Ｘ線発生装置では軟Ｘ線の発生量が電子ビームの電流値に支配されているため、電源の容量を大きくすれば発生する軟Ｘ線の線量を大きくすることができる。したがって、レーザープラズマＸ線装置に比較して線量の増加が手軽であり、実用レベルの線量の軟Ｘ線を容易に得ることができる。
【００２５】
さらに、電子銃とターゲットを用いたＸ線発生装置は従来から広く用いられており、装置の小型化、低価格化が十分に進んでいる。本実施例の軟Ｘ線発生装置は、従来のＸ線発生装置からターゲット物質を変更した構成であるので、装置を非常に小型、安価に制作することができ、一般の実験室等に導入することが容易である。
また、本実施例の軟Ｘ線発生装置では、構造上軟Ｘ線の発生が連続的である。このため、例えば軟Ｘ線顕微鏡に適用すればサンプル内を高速に移動する被写体を動画で明瞭に撮影することもできる。
なお、チタン原子からはＫ系およびＬ系の特性Ｘ線が発生するが、Ｌ−Ｘ線が水の窓領域の波長を持っており、本実施例の軟Ｘ線発生装置ではチタンのＬ−Ｘ線を利用している。
【００２６】
以上詳細に説明したとおり、本実施例の軟Ｘ線発生装置によれば高輝度の軟Ｘ線を小型で安価な装置により発生することができ、軟Ｘ線顕微鏡に必要な実用レベルの線量を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】各種ターゲットにおける水の窓領域の軟Ｘ線発生量を表したグラフである。
【図２】各種ターゲットにおける全体の線量に対する水の窓領域線量の比率を表すグラフである。
【図３】１Ｗあたりの水の窓領域線量を表すグラフである。
【図４】本実施例の軟Ｘ線発生装置を形式的に表した概念図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  電子銃
２  ターゲット
３  回転装置
４  ターゲット容器
５  窓
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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